光学条码技术拓展高精度传感器应用边界
在麦凯尔维工程学院的实验室中，杨博士团队开发出一种创新的光学传感方法，通过多模共振显著提升了传感器的性能。该技术依赖于对共振光谱中模式的细致解析，从而实现对传感器周围环境的高精度识别。这一突破性技术被形象地称为“光学条码”，在各类传感场景中展示了更广的动态范围与更高的检测精度。
有趣的是，这项技术的灵感部分源自于建筑声学中的“耳语廊”现象。在伦敦圣保罗大教堂或圣路易斯联合车站的耳语拱门中，声波可以沿着特定路径弯曲并聚焦，使远处的低语清晰可闻。类似地，耳语廊模（WGM）谐振腔利用光的类似行为，将光约束并聚焦在微小的环形路径中。这种微腔结构已广泛应用于化学分析、DNA识别甚至单分子检测，已有数十年的研究和应用历史。
WGM微腔能够捕捉并放大光信号，使其成为生物医学、环境监测等领域的有力工具。然而，传统WGM谐振腔在动态范围、分辨率和测量精度方面存在一定局限，限制了其更广泛的应用。
为解决这一问题，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系的杨兰教授与博士后研究员廖杰，提出了一种基于多模共振的光学WGM条码技术。这一方法已在《IEEE 仪器与测量汇刊》上发表，标志着高分辨率传感领域的重大进展。
该技术能够在同一微腔中同时监测多个共振模式，通过分析各模式的响应差异，显著拓展传感器的测量能力。WGM传感通常依赖于特定波长的光在微腔中循环传播，当外部分子与腔体相互作用时，光的共振频率会相应变化，从而揭示目标分子的存在。
多模传感的关键在于同时获取多个波长的共振信息。“与传统方法仅捕捉单一模式不同，”廖指出，“多模态技术使我们能够同时观察多个频段的变化，从而实现更宽广的检测窗口和更高的分辨率。”
杨与廖的研究团队进一步探索了WGM传感系统的理论极限，并通过实验验证了多模传感在动态范围上的显著提升。他们发现，传统单模WGM传感器受限于激光硬件，检测窗口通常不超过20皮米（pm），而多模系统则突破了这一限制，在相同设备下可实现无限扩展的测量范围。
“共振模式越多，获取的信息就越丰富，”廖解释道。实验结果表明，多模WGM传感的动态范围可达到传统方法的350倍，为实际应用打开了更广阔的前景。
杨指出，该技术在多个领域具有巨大的应用潜力。在生物医学方面，它能够以更高灵敏度监测分子间的动态变化，从而提升疾病早期诊断与药物开发的效率。
在环境监测方面，多模传感可用于追踪温度、压力等微小变化，为自然灾害预警系统提供技术支持，同时助力空气与水体污染物的实时监测。
此外，该技术还可用于化学反应的实时追踪。杨团队在最近的实验中验证了这一能力，表明其在化学过程分析与控制方面具有广泛的应用前景，特别是在制药、材料合成和食品质量监控等领域。
廖进一步指出：“WGM谐振腔本身具备极高的灵敏度，足以检测单个粒子或离子。然而，长期以来，这一技术在测量未知物质时存在瓶颈。”
“多模传感打破了这一限制，使我们能够‘窥探未知’。通过大幅扩展动态范围，我们能同时分析数百万级粒子，从而推动更具挑战性的科研与工程项目的开展。”
更多信息：Jie Liao 等，《通过光学耳语画廊模式条码进行多模传感：高分辨率测量动态范围扩展的新途径》，IEEE 仪器与测量汇刊（2024年）。DOI：10.1109/TIM.2024.3352712
资料来源：圣路易斯华盛顿大学